管道是一种便捷、高效的物料运输通道，在社会经济活动中应用广泛。管道运输的化学物质以及外部环境影响易导致管道出现腐蚀，甚至裂纹、渗漏等现象[1-3]。随着科技的发展，管道检测机器人的出现在一定程度上能够解决管道腐蚀、裂纹、渗漏问题。管道检测机器人携带多种操作工具和传感器，可以深入管道内部，通过外部人员操作或程序控制完成预定操作任务[4]。管道检测机器人最早出现于法国，1978年法国工程师提出轮腿式管内行走机构模型IPRIV[5]。20世纪80年代福田敏男等研究人员以美、法等国的研究成果为基础，研发多种不同结构的管道检测机器人。日本钢管株式会社开发用于管道X射线探伤的管道的轮式管道检测机器人Beagle 200[6]。德国西门子公司研发利用支腿在管壁内行走的微型管道检测机器人，该系列产品有4、6、8支腿三种类型。韩国研制MRINSPECT系列管道检测机器人，主要应用于天然气管道的检测[7]。我国管道检测机器人发展较早，19世纪80年代我国部分高校和科研院所已经展开管道检测机器人的研究，其中比较有代表性的单位包括哈尔滨工业大学、清华大学、天津大学、中原油田等[8]。文章通过调查研究，对比国内外多款管道检测机器人的功能特点，以北京城市排水集团和中国矿业大学（北京）团队合作研发的排水管道检测机器人为例，阐述现阶段国内的机器人研究进展，为管道检测机器人的研发与创新提供参考。1国内外主要产品及技术特点目前，排水管道检测机器人检测模式主要为利用超声波、漏磁、涡流和射线等信号的无损检测法以及逐渐发展的光电技术视频检测法。文章以视频检测法为主，对排水管道机器人的性能进行研究，包括视频检测技术产品和视频检测+雷达检测技术产品，国内外主要排水管道内检测装备如表1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.T001表1国内外主要排水管道内检测装备型号国别主要参数特点IBAK系列机器人德国机器人由4轮驱动，电缆最大长度可达200 m，连接上位机和机器人。轮胎由橡胶制成，具有防水防腐蚀的功能。IPEK系列机器人奥地利防渗透参数IP68防水10 m，驱动装置为双20 W直流电机，摄像机为320LUX（16×20白色发光二极管），牵引机输出功率为40 W（2×20 W卤素），辅助输出设备最大输出功率为90 W。六轮驱动，易操纵。通用ROVVER机器人美国机器人由6轮驱动，避障、翻越能力较强；装有高感摄像头和无影LED灯，可视范围大，图像清晰。该机器人使用全自动电缆卷筒，有张力传感器，能够有效减小履带的拉动负担，防止电缆缠结。牵引力大，重量轻，易操纵。施罗德SD-9902A中国系统设计达到IP68防水标准，能够前进、后退、左右转向；爬行速度为0~35 m/min。控制器可以逐级控制升降高度；拥有独立的LED灯辅助照明设备，由123颗LED灯，数控式分级控制光源亮度，使光线能够平均分布在被检测环境。六轮驱动，无级调速。上海五十所WT2090中国机器人摄像头外壳为不锈钢。机身装有LED照明灯；该机器人的工作温度在-10~50 ℃之间。采用可视化信息获取技术和定位技术，镜头采用防擦、防碎的蓝宝石材料。武汉中仪X5-HR淤泥管道检测机器人中国高清摄像头360°水平无限旋转、±135°垂直旋转、可升降、200万像素，持续作业标配电源工作时间不低于8 h，可使用220 V电压工作。灵巧轻便螺旋式推进能够在水、淤泥等多种复杂环境中稳步行进。1.1视频检测技术产品国内外排水管道内部检测装备均以视频检测技术为主，视频检测机器人主要用于观测管道内部状况，探测管道管径小于600 mm，多采用轮式驱动。国内外管道检测机器人主要区别在于驱动和防水设计不同。1.2视频检测+雷达检测技术产品国内外出现了综合视频检测技术和雷达检测技术的管道检测机器人产品，使得发现管道本体及周围存在的隐患成为可能。国外以加拿大SewerVUE探管雷达为代表，国内以北京排水集团与中国矿业大学（北京）合作的管道检测机器人为代表。1.2.1国外产品（1）加拿大SewerVUE探管雷达机器人使用1.6 GHz和2.6 GHz探地雷达天线，集成辅助摄像机，通过通信线缆与地面进行通信，机器人可以自动伸展，采用履带式推进方式，适用于直径为500~1 500 mm管道的检测。SewerVUE探管雷达机器人如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.F001图1SewerVUE探管雷达机器人（2）美国路易斯安那理工大学开发的管道探测雷达机器人如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.F002图2美国管道探测雷达机器人基于超宽带脉冲雷达的管道穿透扫描系统，集成了模拟、电子、机器人、信号处理和三维渲染技术。通过设计管道检测机器人，对埋地管道、隧道和涵洞进行检查，以检测裂缝、量化腐蚀并确定周围土壤中是否存在由漏水引起的空洞。该管道探测雷达目前为实验室样机，功能有待进一步完善。（3）美国弗吉尼亚大学开发的FutureScan雷达机器人如图3所示。管道探测雷达采用轮式驱动，顶部安装探地雷达，前方为摄像机，由电力驱动。受雷达频率的限制，探测深度较低。该管道探测雷达目前为原理性样机，功能有待进一步完善。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.F003图3美国FutureScan管道探测雷达机器人1.2.2国内产品（1）北京排水集团与中国矿业大学（北京）系列管道检测机器人如图4所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.F004图4北京排水集团与中国矿业大学（北京）自研机器人覆盖300~1 500 mm管径管道检测，搭载高清摄像头、陀螺仪、编码器和多种主频的探地雷达天线，支持多通道快速检测，可以实现管道内部、管道顶部、管外两侧的同步检测，通过数据处理与三维重建技术复原管道内部及周围环境状态。（2）武汉中仪地下空洞探测机器人如图5所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.F005图5武汉中仪管道检测机器人该机器人以X5H系列爬行器为基础，在升降平台上增加探地雷达，实现对管道进行CCTV检测的同时，调查管道上方地质情况。它具有与X5H系列视频机器人完全相同的主控、电缆盘、镜头。1.2.3国内外产品横向对比国内外主要排水管道检测探地雷达机器人指标如表2所示。北京排水集团与中国矿业大学（北京）研发管道检测雷达机器人不仅能够适用于更大范围管径的排水管道检测，在检测通道数、管内视频去雾、病害目标识别和三维成果输出等方面具有独特优势。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.T002表2国内外主要排水管道检测探地雷达机器人指标仪器名称SewerVUE探管雷达机器人路易斯安那理工大学开发的管道探测雷达弗吉尼亚大学开发的FutureScan管道探测雷达武汉中仪地下空洞探测机器人北京排水集团与中国矿业大学（北京）合作管道检测机器人国别加拿大美国美国中国中国管径范围/mm500~1 500400~600400~600400~600300~1 500产品化程度样机样机样机样机商用通道数21113雷达主频/GHz1.2~2.52.02.01.20.6~1.5摄像规格200万130万130万200万500万高清线缆长度/m1505050100150探测深度/m0.50.30.30.50.5~1.5管内视频去雾无无无无有病害目标识别无无无无有三维成果输出无无无无有2北京排水集团与中国矿业大学（北京）自研机器人技术特点近年来，北京城市排水集团与中国矿业大学（北京）团队合作，在排水管道检测装备设计开发方面积累了初步成果。（1）在装备研究方面，开发了300、400~600 、700~1 300 mm管道检测雷达，开发适用于管道的防水天线及推靠式控制系统，可在满管水和淤泥环境下完成检测。（2）在人工智能处理研究方面，针对管道内雾气和镜头水斑干扰，提出了一种雾气和水斑退化模型，通过增强滤波达到去雾效果，提高视频图像清晰度。排水管道检测视频去雾效果如图6所示。图6排水管道检测视频去雾效果10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.F6a1（a）去雾前管道视频截图10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.F6a2（b）去雾后管道视频截图（3）在人工智能病害识别研究方面，提出一种六分区的基于纹理特征的病害智能识别算法，能够实现病害智能提取，提出了一种基于同心圆的病害边界提取算法，能够实现病害区域边界的自动识别。排水管道病害人工智能识别如图7所示。图7排水管道病害人工智能识别10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.F7a1（a）病害智能识别结果10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.F7a2（b）病害边界提取结果（4）在视频三维点云信息提取方面，提出一种基于陀螺仪和单目视频的管道内三维点云构建算法，该算法可以实现管道腐蚀病害深度的计算，目前采用单区域进行匹配，对明显腐蚀区域，匹配精度可以达到厘米，针对模糊视频或光滑管道面会出现个别点匹配异常现象。（5）在雷达天线探测病害智能提取算法方面，利用雷达反射信号特征，构建一种三层多尺度的自学习神经网络卷积模型，卷积模型可以适应于大小不同的空洞识别，经过大量测试识别率达到95%。（6）在成果显示方面，提出一种基于Hough聚类的坐标点切换及三维成像算法，实现将点云相对坐标和雷达探测病害坐标，全部转换到管道现实坐标空间，并实现了三维可视化。视频三维点云信息提取如图8所示。图8视频三维点云信息提取10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.F8a1（a）俯视图10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.F8a2（b）正视图10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.006.F8a3（c）完整管道点云视图（7）在测试应用方面，部分成果已应用于70年国庆阅兵线路地下排水管道及50年以上老旧排水管道检测。3结语文章对比国内外多家管道检测机器人产品，其中北京排水集团和中国矿业大学（北京）团队合作研发的排水管道检测机器人在检测通道数、管内视频去雾、病害目标识别和三维成果输出等方面具有独特优势。主要特征包括：（1）排水管道检测机器人可以辅助解决目前在充满度100%以上的环境管道无法进行结构评估的弊端。（2）应用人工智能算法可以解决视频去雾、病害区域边界的自动识别困难、管道腐蚀病害深度探测困难、管道空洞探测困难等问题，并实现了探测数据的三维可视化。（3）该型管道检测机器人已应用于多个项目，并取得良好效果。